Nature解开植物成功受精之谜

　　最近，日本名古屋大学JST-ERATO Higashiyama Live-Holonics项目和转化生物分子研究所（ITbM）的Hidenori Takeuchi博士和Tetsuya Higashiyama教授，成功地发现了开花植物花粉管（雄性）中的一个关键激酶受体，可让花粉管准确到达卵细胞（雌性），以成功受精，而不会迷失方向。这项研究在线发表于2016年3月10日的《Nature》杂志。

　　花粉管生长在雌蕊里面，并向雌蕊深处的卵细胞提供它们的精子细胞，引发受精。Higashiyama研究组先前已发现一个花粉管引诱肽，称为LURE，这是由胚珠产生，可引导花粉管到达卵细胞。研究表明，LURE的结构在各种植物之间有所差异，是每种植物的花粉管所特有的，即，每个LURE肽优先吸引相同植物种类的花粉管。然而，花粉管如何检测到LURE的精确机制，一直都不明确。

　　在这项研究中，Takeuchi和Higashiyama发现了一个受体，是模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）花粉管尖端检测到LURE所必须的。他们还发现，这种受体可与多种具有相似结构的受体共同起作用，以精确地检测从雌蕊发送出来的信号。通过接受雌蕊发出的各种信号，该激酶受体可使花粉管能够生长到雌蕊内的一个位置，在那里它们可以检测到LURE。随后，花粉管被引导到达卵细胞，并传递它们的精子细胞用于受精。

　　博士后研究员Takeuchi目前就职于奥地利孟德尔学院，他指出：“我们相信，这项研究有利于我们了解植物物种之间的受精机制。”ERATO项目主任、名古屋大学的Higashiyama教授表示：“进一步详细了解该受体的作用之后，我们希望这将促进开发新的技术，改变受精的成功率，并提高种子的生产效率，以及开发某些方法，使不同植物物种之间能够受精。”

　　我们每天吃的大米和大豆，是植物的种子，许多蔬菜都是从种子发育而来。对于产生种子的植物来说，植物的雄性和雌性生殖器官相遇并受精，是至关重要的。开花植物的雄性器官是由花粉及内部的精子细胞组成。花粉发育成花粉管，这是一个具有管状结构的单细胞。花粉管的尖端（花药）延伸并成长为雌蕊。花粉管最终到达雌蕊深处的卵细胞，并将精子细胞传递给卵细胞，以引起受精。

　　花粉管能够精确地找到卵细胞，而不会迷失方向，这可能是支持我们食物供应的关键因素。在植物中，雄性和雌性器官的相遇，是一个非常神秘和重要的事件，但其确切机制仍然充满神秘。

　　在2009年，Higashiyama和他的同事们发现，位于卵细胞旁边的一个助细胞，可产生称为LURE的分子，吸引蝴蝶草属植物的花粉管。在2012年，他们也在拟南芥中发现了类似的LURE肽。

　　Higashiyama描述说：“我们发现，根据植物物种的不同，LURE的结构有所不同，一种特定植物的LURE可吸引相同物种的花粉管，它维持了相同物种之间的受精。因此，在植物中，LURE已被确定为雌性器官产生、用以吸引雄性的器官的关键因素。”延伸阅读：Cell：不同寻常的细胞融合。

　　然而，花粉管如何能检测到LURE？花粉管如何生长到雌蕊内一个位置——在那里它们可以检测到LURE？其背后的确切机制仍不明确，花粉管生长和反应背后的因素也是未知的。Higashiyama的研究团队决定调查这些问题，他们试图揭示花粉管中使它能够检测到LURE的关键因素。

　　Takeuchi说：“利用模式植物拟南芥，我们假设，特异性定位在花粉管膜表面的23个激酶受体，可能是检测LURE所必须的。我通过抑制每个激酶受体的功能，进行了花粉管生物测定，发现PRK6受体对于LURE检测，是必不可少的。”

　　对于PRK6来说，实际上有多个受体家族，有相同的氨基酸序列。在抑制其他PRK受体的功能后，Takeuchi和Higashiyama发现，不同PRK受体组合的缺失，可导致花粉管对LURE的反应减少，或阻碍花粉管的生长。这与以前的报道一致，花粉管的生长是由PRK受体响应来自雌蕊的信号而被诱导的。因此，该研究小组发现，PRK6及其他PRK受体共同起作用，可探测LURE以及使花粉管生长到雌蕊内的一个位置，在那里它可以检测到LURE。

　　Takeuchi接下来探究PRK6如何在花粉管的细胞内发出信号，以了解它如何响应LURE。Takeuchi解释说：“当花粉管沿直线方向生长时，PRK6是平均分布在细胞膜上的。我用荧光标记的PRK6，在将LURE添加到花粉管之后，发现PRK6前往面向LURE的花粉管顶端的细胞膜区域。然后花粉管改变方向，开始朝着LURE生长。”从这些结果，研究小组发现，PRK6在LURE方向收集对花粉管生长所必需的因素。

　　Higashiyama说：“虽然花粉管的吸引力被认为是优先发生在相同的物种之间，但是，我们想知道，是否我们能让其发生在不同的物种之间。”用来自拟南芥的LURE处理一种荠菜植物（Capsella rubella）的花粉管——都属于十字花科，研究人员没有观察到对LURE的反应。

　　Takeuchi说：“有趣的是，当我们将拟南芥的PRK6基因插入荠菜的花粉管时，它对拟南芥的LURE做出了响应。这一数据表明，在花粉管中的PRK6受体，无疑是检测同一物种LURE的关键因素。我们也很兴奋地看到，花粉管吸引发生在不同物种的花粉管和LURE之间。”

　　我们知道“雌蕊通过与雄蕊的受精产生种子”已有2000年的历史，并且这是农业生产中的一个极其重要的机制。此外，花粉管被吸引到雌蕊器官，这是在100年前发现的。由于引诱分子LURE的发现，科学家一直都在寻找响应该蛋白的机制。这项研究表明，花粉管中的PRK6受体，是LURE检测和生长的主要因素。

　　Takeuchi和Higashiyama说：“通过对PRK受体家族的进一步调查，我们希望揭开通过花粉管生长和LURE检测而受精的完整机制。”

　　Higashiyama表示：“我们在这项研究中还发现，一个PRK6受体基因的插入，可对不同物种的花粉管产生吸引力。这可能促使科学家开发新的方法，使不同物种之间能够受精。通过探索靶定PRK受体的分子，可能会带领科学家研发某种农药，通过提高受精率而提高种子产量。我们还设想，这项研究将引发新的研究，使不同物种之间能够受精，以产生新的和有用的植物物种，有助于促进可持续的食物供应。”